Теория программирования — интерфейс SPI. Описание интерфейса SPI Spi микросхемы

С номиналами от 10 Ом до 1 МОм);

соединительные провода (например, вот такой хороший набор);

персональный компьютер со средой разработки Arduino IDE.

1 Описание последовательного интерфейса SPI

SPI - Serial Peripheral Interface или «Последовательный периферийный интерфейс» - это синхронный протокол передачи данных для сопряжения ведущего устройства (Master) с периферийными устройствами (Slave) . Ведущим устройством часто является микроконтроллер. Связь между устройствами осуществляется по четырём проводам, поэтому SPI иногда называют «четырёхпроводной интерфейс». Вот эти шины:

Существует четыре режима передачи данных (SPI_MODE0, SPI_MODE1, SPI_MODE2, SPI_MODE3 ), обусловленные сочетанием полярности тактовых импульсов (работаем по уровню HIGH или LOW), Clock Polarity, CPOL , и фазой тактовых импульсов (синхронизация по переднему или заднему фронту тактового импульса), Clock Phase, CPHA .

Рисунок поясняет данную таблицу.

Интерфейс SPI предусматривает несколько вариантов подключения ведомых устройств: независимое и каскадное . При независимом подключении к шине SPI ведущее устройство обращается к каждому ведомому устройству индивидуально. При каскадном подключении ведомые устройства срабатывают поочерёдно, как бы каскадом.

Виды подключения устройств для работы по интерфейсу SPI: независимое и каскадное

2 Реализация интерфейса SPI на платах семейства Arduino

В Arduino шины интерфейса SPI находятся на определённых портах. У каждой платы своё соответствие выводов. Для удобства выводы продублированы и вынесены также на отдельный разъём ICSP (In Circuit Serial Programming, программирование устройства, включённого в цепь, по последовательному протоколу). Обратите внимание, что на разъёме ICSP отсутствует пин выбора ведомого - SS, т.к. подразумевается, что Arduino будет использоваться как ведущее устройство в сети. Но при необходимости вы можете назначить любой цифровой вывод Ардуино в качестве SS.

На рисунке приведено стандартное соответствие выводов шинам SPI для Arduino UNO и Nano.

3 Библиотека для работы с интерфейсом SPI

Для Arduino написана специальная библиотека , которая реализует протокол SPI . Подключается она так: в начале программы добавляем #include SPI.h .

Чтобы начать работу по протоколу SPI , нужно задать настройки и затем инициализировать протокол с помощью процедуры SPI.beginTransaction() . Можно выполнить это одной инструкцией: SPI.beginTransaction(SPISettings(14000000, MSBFIRST, SPI_MODE0))

Это значит, что мы инициализируем протокол SPI на частоте 14 МГц, передача данных идёт, начиная с MSB (наиболее значимого бита), в режиме SPI_MODE0.

После инициализации выбираем ведомое устройство, переводя соответствующий пин SS в состояние LOW .

Затем передаём ведомому устройству данные командой SPI.transfer() .

После передачи возвращаем SS в состояние HIGH .

Работа с протоколом завершается командой SPI.endTransaction() .

Желательно минимизировать время выполнения передачи между инструкциями SPI.beginTransaction() и SPI.endTransaction(), чтобы не возникло накладок, если другое устройство попробует инициализировать передачу данных, используя другие настройки.

4 Подключение сдвигового регистра к Arduino

Рассмотрим практическое применение интерфейса SPI . Будем зажигать светодиоды, управляя 8-битным сдвиговым регистром по шине SPI . Подключим к Arduino сдвиговый регистр 74HC595 . К каждому из 8-ми выходов регистра через ограничительный резистор подключим по светодиоду номиналом 220 Ом. Схема приводится на рисунке.

5 Скетч для управления сдвиговым регистром по интерфейсу SPI

Напишем такой скетч.

#include const int pinSelect = 8; // пин выбора регистра void setup() { SPI.begin(); // инициализация интерфейса SPI pinMode(pinSelect, OUTPUT); // digitalWrite(pinSelect, LOW); // выбор ведомого устройств (регистра) SPI.transfer(0); // очищаем содержимое регистра digitalWrite(pinSelect, HIGH); // конец передачи Serial.begin(9600); } void loop() { for (int i=0; i }

Сначала подключим библиотеку SPI и инициализируем интерфейс SPI . Определим пин 8 как пин выбора ведомого устройства SS . Очистим сдвиговый регистр, послав в него значение "0". Инициализируем последовательный порт.

Чтобы зажечь определённый светодиод с помощью сдвигового регистра, нужно подать на его вход 8-разрядное число. Например, чтобы загорелся первый светодиод - подаём двоичное число 00000001, чтобы второй - 00000010, чтобы третий - 00000100, и т.д. Эти двоичные числа при переводе в десятичную систему счисления образуют такую последовательность: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и являются степенями двойки от 0 до 7.

Соответственно, в цикле loop() по количеству светодиодов делаем пересчёт от 0 до 7. Функция pow(основание, степень) возводит 2 в степень счётчика цикла. Микроконтроллеры не очень точно работают с числами типа "double", поэтому для преобразования результата в целое число используем функцию округления round() . И передаём получившееся число в сдвиговый регистр. Для наглядности в монитор последовательного порта выводятся значения, которые получаются при этой операции: единичка «бежит» по разрядам - светодиоды загораются волной.

6 «Бегущая волна» из светодиодов

Светодиоды загораются по очереди, и мы наблюдаем бегущую «волну» из огоньков. Управление светодиодами осуществляется с помощью сдвигового регистра, к которому мы подключились по интерфейсу SPI . В результате для управления 8-ю светодиодами задействованы всего 3 вывода Arduino. Если бы мы подключали светодиоды напрямую к цифровым портам Arduino, нам бы потребовалось для каждого светодиода использовать отдельный порт.

Мы изучили самый простой пример работы Arduino с шиной SPI . Более подробно рассмотрим работу нескольких сдвиговых регистров при независимом и каскадном подключениях в отдельной статье.

В этой статье я хочу провести краткий обзор шины SPI (интерфейса, широко распространённого во встраиваемой технике, используемого для подключения различных устройств) и попытаюсь описать процесс создания драйвера протокольного уровня SPI устройства для Linux. Данный документ не претендует на роль полного руководства, а скорее преследует цель указать нужное направление. Так как статья не вошла в размер одного топика, мне пришлось разбить её на две части.

0. Вместо введения

Что это за статья?
Эта статья представляет собой компиляцию информации из различных источников, вольный перевод некоторых частей документации, а также мои собственные комментарии, дополнения и описания возникших проблем.

Для кого эта статья?
В первую очередь, для новичков, каковым являюсь и я. На форумах по embedded Linux очень часто можно встретить вопрос: «А как на этой плате работать с SPI?». Именно на него я и попытаюсь дать ответ. В качестве примера, я приведу код написанный для работы с моим тестовым SPI устройством.

Структура статьи
По причине того, что информации получилось достаточно много, статья разбита на несколько подразделов:

Что такое SPI?
Обзор SPI подсистемы в Linux
Разработка userspace протокольного SPI драйвера с использованием spidev
Разработка протокольного SPI драйвера уровня ядра
Документация

Первые два пункта войдут в первую часть статьи, оставшиеся во вторую.

Первый подраздел описывает работу шины SPI, данная часть статьи конкретно к Linux никак не привязана, поэтому её можно читать тем, кому Linux не интересен, а нужно лишь получить информацию об этом интерфейсе.

Второй подраздел описывает структуры и механизмы лежащие в основе работы с SPI в Linux, его нужно прочесть для понимания того, о чём пойдёт речь в третьей и четвёртой частях.

Если вас не интересует мои переводы и дополнения, можете смело переходить сразу к пятой части, там можно найти информацию о том, где получить всю необходимую информацию по данному вопросу.

Ошибки
Я не волшебник, я только учусь. Если найдёте какие-либо ошибки или неточности, пожалуйста, сообщите мне.

1. Что такое SPI?

Аббревиатура SPI означает «Serial Peripheral Interface» или в русском варианте «последовательный периферийный интерфейс». Название говорит само за себя, данный интерфейс используется для работы с различными периферийными устройствами. Например, это могут быть различные ЦАП/АЦП, потенциометры, датчики, расширители портов ввода/вывода (GPIO), различная память и даже более сложная периферия, такая как звуковые кодеки и контроллеры Ethernet.

С технической точки зрения SPI - это синхронная четырёхпроводная шина. Она представляет собой соединение двух синхронных сдвиговых регистров, которые является центральным элементом любого SPI устройства. Для соединения используется конфигурацию ведущий/ведомый. Только ведущий может генерировать импульсы синхронизации. В схеме всегда только один ведущий (в отличие от той же шины I2C, где возможен вариант с более чем одним ведущим), количество ведомых может быть различно. В общем случае выход ведущего соединяется со входом ведомого, и наоборот, выход ведомого соединяется со входом ведущего. При подаче импульсов синхронизации на выход SCK, данные выталкиваются ведущим с выхода MOSI, и захватываются ведомым по входу MISO. Таким образом если подать количество импульсов синхронизации соответствующее разрядности сдвигового регистра, то данные в регистрах обменяются местами. Отсюда следует что SPI всегда работает в полнодуплексном режиме. А вот нужны ли нам данные, полученные от устройства при записи какого-либо параметра, это уже другой вопрос. Часто бывает что данные полученные от устройства при записи в него данных являются мусором, в таком случае их просто игнорируют, но мы их получим вне зависимости от нашего желания.

Контроллер SPI, как правило, реализуется периферийным блоком в MCU или eMPU. В большинстве чипов он может работать как в режиме ведущего, так и в режиме ведомого. Но на данный момент Linux поддерживает только режим ведущего (Master).

Существует несколько способов включения SPI устройств.

Простейший из них вы видите на рисунке выше (спасибо Wikipedia за рисунки под свободной лицензией GFDL). В данном случае к ведущему все ведомые подключаются параллельно, за исключением сигнала выбора ведомого (~CS). Для каждого ведомого необходим отдельный сигнал выбора ведомого (на рисунке они обозначены как SSx). Для сигналов выбора ведомого могут использоваться как специально предназначенные для этого выходы SPI-контроллера, так и порты ввода/вывода общего назначения (GPIO) микроконтроллера.

Два проводника используются для передачи данных, один для подачи тактовых импульсов и по одному сигналу выбора ведомого для каждого из ведомых.
Описание используемых сигналов:

MOSI - Master Output, Slave Input (выход ведущего, вход ведомого). Данный сигнал предназначен для последовательной передачи данных от ведущего к ведомому. Также может называться SDO, DO и т.п.
MISO - Master Input, Slave Output (вход ведущего, выход ведомого). Данный сигнал предназначен для последовательной передачи данных от ведомого к ведущему. Может называться SDI, DI и т.п.
SCK - Serial Clock (сигнал синхронизации). Используется для синхронизации при передаче данных. Также может иметь название SCLK, CLK и др.
~CS - Chip Select (выбор микросхемы). С помощью данного сигнала происходит активация ведомого устройства. Обычно он является инверсным, то есть низкий уровень считается активным. Иногда его называют ~SS (Slave Select, рус. «выбор ведомого»).

Частным случаем независимого подключения является вариант с одним единственным ведомым. В таком случае может возникнуть желание подтянуть сигнал ~CS к земле, чтобы устройство всегда было в активном состоянии. Но делать это крайне не рекомендуется, так как ведомое устройство может использовать сигнал CS для инициализации или для других служебных целей.

Основное неудобство при независимом подключении ведомых в том, что для каждого из ведомых необходим отдельный сигнал ~CS. Каскадная схема подключения, в зарубежной литературе называемая «daisy-chain» (можно перевести как «гирлянда»), лишена такого недостатка.

Как видно из рисунка выше, здесь используется общий сигнал выбора ведомого для всех ведомых. Выход каждого из ведомых соединяется со входом следующего. Выход последнего ведомого соединяется со входом ведущего, таким образом образуется замкнутая цепь. При таком подключении можно считать что последовательно соединённые устройства образуют один большой сдвиговый регистр. Соответственно, данные можно записать во все устройства «за один присест», предварительно собрав нужный пакет, объединяющий данные для каждого из устройств в порядке соответствующем физическому порядку соединения. Но тут есть один тонкий момент. Во-первых, все микросхемы должны поддерживать такой тип подключения; во-вторых, ядро Linux не поддерживает такой тип подключения, так что если всё же захотите его использовать, то вам придётся модифицировать существующие драйвера, либо же написать собственные.

Существует четыре режима работы SPI устройств. Как правило, именно они вызывают больше всего путаницы у новичков. Данные четыре режима представляют собой комбинацию двух бит:

CPOL (Clock Polarity) - определяет начальный уровень (полярность) сигнала синхронизации.
CPOL=0 показывает, что сигнал синхронизации начинается с низкого уровня, так что передний фронт является нарастающим, а задний - падающим.
CPOL=1, сигнал синхронизации начинается с высокого уровня, таким образом передний фронт является падающим, а задний - нарастающим.
CPHA (Clock Phase) - фаза синхронизации, определяет по какому из фронтов синхронизирующего сигнала производить выборку данных.
CPHA=0 показывает что необходимо производить выборку по переднему фронту, а
CPHA=1 показывает что выборку данных необходимо производить по заднему фронту.

Эти два бита и образуют номер режима. CPOL является старшим битом, а CPHA - младшим. Иногда в документации к устройству явно не указывают номер режима, но его всегда можно легко определить по временным диаграммам. Также важно понимать, что выборка и установка данных всегда происходят по противоположенным фронтам синхронизирующего сигнала. Например, пусть наше устройство работает в режиме 0 (наиболее распространённый вариант), в таком случае ведомое устройство будет считывать бит данных со входа MOSI по переднему нарастающему фронту синхронизирующего сигнала, а ведущее устройство будет считывать данные от ведомого на входе MISO также по переднему нарастающему фронту. Для большей наглядности я приведу осциллограммы для всех четырёх режимов работы:

На этом рисунке показаны сигналы MOSI (синяя линия) и SCK (жёлтая линия). Во всех случаях передаётся число 0x64. Светлые вертикальные линии показывают момент выборки данных. Рассмотрим режим 2, для которого, как мы помним, CPOL=1, а CPHA=0. Таким образом мы видим что синхронизирующий сигнал изначально имеет высокий уровень, а выборка производится по переднему фронту (в данном случае спадающему). Так как осциллограф у меня имеет только два канала, сигналы ~CS и MISO не показаны. Но в данном случае они не так интересны, например, сигнал ~CS представляет собой просто «провал» на всём протяжении передачи данных.

2. Обзор SPI подсистемы в Linux

Драйверы SPI в Linux делятся на две части. Первая - это драйверы SPI контроллеров, которые работают непосредственно с железом конкретно взятого контроллера. Такие драйверы определяют как настроить контроллер, какие действия предпринять при переходе в режим пониженного энергопотребления (suspend) и выходе из него(resume), выбор следующей передачи (spi_transfer) из очереди передач в сообщении (spi_message, об очередях чуть ниже) и отправка его непосредственно в порт, также определяется как активировать/деактивировать конкретное устройство посредством CS (функции cs_activate/cs_deactivate). В этой статье я не буду описывать данный тип драйверов. Как правило, они уже реализованы для тех MCU/eMPU на которые существует порт Linux, и лезть в них руками надо только в том случае, если вам нужна какая-то специфичная функция, вроде Chip Select Decoding, для возможности активации нужного ведомого устройства посредством внешней логики. Иногда это бывает полезно, например, в случае недостатка GPIO.

Вторая часть - это протокольные драйверы, используемые для работы с различными ведомыми устройствами, которые подключены к шине SPI. Данные драйверы называют «протокольными», потому что они лишь отправляют и получают различные данные от ведомых устройств, при этом не работая напрямую с каким-либо оборудованием. Именно данный тип драйверов нам наиболее интересен, так как позволяет добавить поддержку интересующего ведомого устройства в систему, его то мы и рассмотрим.

Большинство протокольных драйверов представляет собой модули ядра. Например, если устройство представляет собой аудиокодек подключаемый по SPI, то драйвер будет также использовать функции предоставляемые ALSA, а программы (например, madplay) смогут работать с ним посредством символьного устройства /dev/audio, не имея ни малейшего понятия о том как он аппаратно устроен и к какой шине подключен.

Также ядро предоставляет протокольный драйвер общего назначения, называемый spidev, с интерфейсом в виде символьного устройства. Он позволяет совершать полудуплексные обращения к ведомому SPI-устройству посредством стандартных системных вызовов read() и write(), устанавливать режим работы, а также производить полнодуплексный обмен данными посредством ioctl() вызовов.

Таким образом протокольные драйверы для SPI устройств можно разделить на два типа:

userspace драйверы, работающие в пространстве пользователя и представляющие собой обычные программы на любом языке, работающие с SPI устройством посредством чтения/записи соответствующего символьного устройства spidev.
драйверы, работающие в пространстве ядра и предоставляющие интерфейс для userspace посредством файлов устройств в каталоге /dev, либо с помощью атрибутов в каталоге устройства в sysfs.

Все обращения к SPI устройствам Linux ставит в очередь. Протокольные драйверы SPI оперируют явно или не явно сообщениями представленными структурой struct spi_message, которая является мультисегментной SPI транзакцией.
struct spi_message { struct list_head transfers; struct spi_device *spi; unsigned is_dma_mapped:1; void (*complete)(void *context); void *context; unsigned actual_length; int status; struct list_head queue; void *state; };
transfers - связанный список передаваемых сегментов в транзакции (передач);
spi - указатель на spi устройство, в очереди которого стоит данное сообщение;
is_dma_maped - если данный флаг «истина», то предоставлены оба, dma и cpu виртуальные адреса для каждого буфера передачи;
complete - обратный вызов, вызываемый для извещения об окончании транзакции;
context - аргумент для обратного вызова complete();
actual_length - полное число байт, которые были переданы во всех успешных предачах;
status - 0 в случае успеха, либо отрицательное значение с errno в случае ошибки;

Теги:

linux
spi
spidev
embedded
kernel module

Добавить метки

SPI (Serial Peripheral Bus ) - последовательный периферийный протокол обмена. Этот прокол был разработан компанией Motorola , но в настоящее время используется многими производителями. Он предназначен для связи микроконтроллеров между собой, а также со всевозможной периферией: датчиками, AЦП, микросхемами памяти, часами. Но все же наиболее частое применение SPI – это запись программы в память микроконтроллера. В микроконтроллерах AVR c помощью SPI можно прошить микроконтроллер не выпаивая из платы, такой способ прошивки называется ISP(In System Programming) . Хотя названия SPI и ISP очень созвучны, это не одно и то же, в AVR SPI используется как физический уровень ISP , то есть используются линии SPI для передачи данных, но сам протокол(программный уровень) отличается.

Для передачи данных в SPI используется три линии:

MISO(Master Input Slave Output) – по этой линии Master(ведущий) принимает данные от Slave(ведомого).

MOSI(Master Output Slave Input) – по этой линии Master отправляет данные Slave.

SCK(Serial Clock) – служит для передачи тактового сигнала ведомому устройству.

Также используется линия SS(Slave Select) , которая определяет устройство с которым Master будет обмениваться данными.

По причине того, что многие производители в своих устройствах используют SPI, названия выводов могут несколько отличаться. Ниже приведена таблица с альтернативными названиями.

SPI бывает двух видов аппаратный и программный. При реализации программного SPI , мы вручную должны устанавливать сигнал на ножках соответствующих MISO, MOSI, SS при этом дёргать за SCK . При аппаратной реализации SPI мы передаём данные в специальный регистр, а микроконтроллер сам проделывает вышеописанные манипуляции, по предварительным настройкам.

Физическая реализацию SPI , представляет собой два соединённых вместе сдвиговых регистра.

В зависимости от того по какому логическому уровню сигнала SCK , происходит синхронизация Master и Slave и по какому фронту происходит захват и сдвиг данных, возможны 4 режима SPI .

CPOL = 0 - сигнал синхронизации начинается с низкого уровня;
CPOL = 1 - сигнал синхронизации начинается с высокого уровня;
CPHA = 0 - выборка данных производится по переднему фронту сигнала синхронизации;
CPHA = 1 - выборка данных производится по заднему фронту сигнала синхронизации.

На осциллограммах ниже видно как выглядит посылка 0х17 в разных режимах.
CPOL = 0 CPHA = 0

CPOL = 1 CPHA = 0

CPOL = 0 CPHA = 1

CPOL = 1 CPHA = 1

SPI - синхронный интерфейс, то есть для того чтобы получить какие-нибудь данные от Slave , Master должен что-нибудь отправить. Вроде всё понятно, но что если Master отправляет один байт, а Slave должен вернуть ему два? В таком случае Master должен отправить ему что-нибудь 2 раза, например 0х00.
//отправляем команду, в ответ должно прийти два байта Spi_Master_Transmit(chx); //отправляем что-нибудь для того чтобы принять первый байт Spi_Master_Transmit(0X00); touch_x = SPDR; touch_x <<= 8; //отправляем что-нибудь для того чтобы принять второй байт Spi_Master_Transmit(0X00); touch_x |= SPDR; touch_x >>= 3;
На этом всё, выше пример кода взятый из рабочего проекта.

SPI-интерфейс был разработан фирмой Motorola. На сегодняшний день он один из самых популярных, благодаря высокой скорости и исключительной простоте, из всех тех, что относятся к последовательному типу. Кроме того, SPI-интерфейс представляет собой еще и принцип связи. По сути, SPI является логикой (ведущий-ведомый) между двумя различными устройствами. Физическим свойствам уделяют гораздо меньше внимания, их реализуют, как говорится, «по обстоятельствам», при этом не предусматривается протокол нижнего уровня. Каждый производитель может внести что-то свое.

SPI-интерфейс: описание

Логика такого устройства заключается в последовательной передаче данных (побитно). При этом установка и считывание разделяются во времени благодаря специальному синхросигналу на специальной шине (ее называют "шиной тактирования", или "синхронизации"). Под разделением понимают то, что процесс установки и считывания данных происходит по противоположным фронтам синхроимпульса, генерируемого на шине. Благодаря такому четко разделенному во времени чередованию считываний и установок, создается возможность использования одного и того же регистра для приема и для передачи информации. Именно под такой принцип и разрабатывался SPI-интерфейс. Однако развитие техники не стоит на месте, на сегодняшний день большие объемы памяти не представляют никаких проблем, и большинство устройств имеют отдельные входные и выходные регистры. Вот в двух словах мы и рассмотрели, каким образом устроен интерфейс SPI.

Описание работы устройства

Прибор, генерирующий синхроимпульсы (управляющий) на шину тактирования, является «ведущим» (мастер). Такое устройство осуществляет управление всем процессом обмена данными, то есть определяет, когда начать обмен, когда закончить, сколько бит информации передать и т. д. Второй прибор, участвующий в обмене, называется «ведомым». Это устройство никаким образом не влияет на шину тактирования. Для полнодуплексного обмена (передача в обе стороны одновременно) SP- интерфейс использует четыре линии:

- MOSI - выход ведущего и вход ведомого. По этой линии происходит от главного устройства к приемному.

MISO - вход ведущего и выход «ведомого». По этому проводу мастер принимает данные от вспомогательного прибора.

SCLK - шина тактирования. По этой линии «ведущее» устройство генерирует синхроимпульсы.

SS - выбор «ведомого». С помощью этого провода мастер управляет сеансом обмена.

Уровни логического нуля и единицы кодируются величиной напряжения на шине данных (MISO и MOSI). Сигнал SS обозначает конец и начало сеанса обмена информацией. Чаще всего он инверсный. Это значит, что во время обмена данными «ведущее» устройство должно установить на линии SS сигнал низкого уровня, а по окончании обмена - высокого. Наличие уровня SS позволяет организовать передачу по нескольким «ведомым» приборам, используя один синхронизирующий сигнал и одну шину данных без дополнительных протоколов. Правда, при таком подключении необходимо подводить от каждого приемного устройства отдельную линию SS.

С номиналами от 10 Ом до 1 МОм);

соединительные провода (например, вот такой хороший набор);

персональный компьютер со средой разработки Arduino IDE.